JP3636340B2 - Power converter for AC rotating machine - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子の位置センサ、速度センサ及び端子電圧センサを用いずに交流回転機を運転する位置・速度センサレス方式の交流回転機用電力変換装置に関し、例えば、インバータが停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転することにより電動機の固定子巻線に逆起電力(誘導起電力)が生じているような永久磁石同期電動機の駆動装置であり得る。
【0002】
【従来の技術】
以下の従来技術では、永久磁石同期電動機の駆動装置を例示する。
図6は、磁極位置センサ付きの永久磁石同期電動機の駆動装置を示している。図において、20は直流電源、1は半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードからなる並列回路を三相分の上下アームに備えたインバータ、2は永久磁石回転子を有する永久磁石同期電動機(PMモータ)、3u,3v,3wは各相の固定子巻線電流を検出する電流検出器、4u,4v,4wは電流検出器ゲイン、5は検出された各相電流iu,iv,iwを二相成分iα,iβに変換する相数変換部、6は磁極位置センサ14により検出した回転子の磁極位置(磁極が作る磁束方向)θに基づいて二相成分iα,iβを磁束方向成分idとこれに直交する方向成分iqとに変換する座標変換部、7は、磁極位置θを速度演算部8に入力して演算した回転角速度ωと、前記磁束方向成分id及びその直交方向成分iqとに基づいてインバータ1の半導体スイッチング素子のゲート信号を生成し、同期電動機2の電流を所定値に制御する電流制御部である。
ここで、図7は永久磁石回転子及び静止座標系であるα−β座標系、回転座標系であるd−q座標系の説明図であり、θが永久磁石回転子30の磁極位置である。
【0003】
この駆動装置では、回転子の磁極位置θを磁極位置センサ14により常時検出できるため、インバータ1の停止状態において回転子30が空転していても、検出された磁極位置θに応じてインバータ1及び同期電動機2を再起動することが可能である。
【0004】
一方、図8は、磁極位置・速度センサレス方式の永久磁石同期電動機の駆動装置を示している。なお、図6と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
このセンサレス方式の駆動装置は、例えば電気学会論文誌D「産業応用部門誌」の1997年1月号に掲載された論文「速度起電力推定に基づくセンサレス突極形ブラシレスDCモータ制御」に記載されている。
【0005】
図8の駆動装置には磁極位置推定部9が設けられており、電流制御部7から出力される同期電動機2の端子電圧の磁束方向成分vd及び直交方向成分vqと、座標変換部6から出力される電機子電流の磁束方向成分id及び直交方向成分iqとに基づいて、磁極位置推定部9が回転子の磁極位置θを推定している。
【0006】
ここで、同期電動機2の端子電圧は、電圧検出器を用いて検出することができるが、多くの場合では同期電動機はインバータに直接接続されているので、端子電圧はインバータの出力電圧に等しいと考えて良い。従って、インバータの出力電圧実際値が指令値どおりであると見なせる場合、インバータの出力電圧指令値を同期電動機の端子電圧に置き換えて磁極位置θの推定に用いることができる。このため、図8の方式では端子電圧検出用の電圧検出器が不要であり、必要な検出量は同期電動機2の電機子電流のみとなる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、図8の方式において、インバータ1の停止時すなわち半導体スイッチング素子がすべてオフである時には電機子電流が流れないので、磁極位置θに関する情報は全く得られない。このため、インバータ1が停止していて回転子30が空転している場合には磁極位置θを知り得ないため、インバータ1を介した同期電動機2の再起動が不可能になる。
同期電動機2の端子電圧を検出する電圧検出器を用いれば、電動機の逆起電力の位相と周波数とを知ることができ、従って磁極位置の推定が可能であるが、この電圧検出器は一般に高価である。
【0008】
従って、図8に示したようなセンサレス方式の駆動装置において、インバータが停止していて回転子が空転している状態での再起動、例えば瞬停再起動を電圧検出器なしで行うには、回転子が一旦停止するまで待たなくてはならず、極めて不便であった。
そこで本発明は、高価な電圧検出器等を用いることなく回転子が空転している状態での再起動を可能にした、電動機の駆動装置等の交流回転機用電力変換装置を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、交流回転機を運転する電力変換器と、前記回転機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備えた交流回転機用電力変換装置において、回転機の回転子の空転時に、前記制御装置により、前記半導体スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて回転機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定して電力変換器を再起動するものである。
【0010】
図1は、上述した請求項1にかかる発明の構成を例示的に示したブロック図であり、図8と同一の構成要素には同一の符号を付してある。
なお、以下の説明では、永久磁石同期電動機の駆動装置を例示するが、本発明は、前述の如く、電力変換器が停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転することにより固定子巻線に逆起電力(誘導起電力)が生じているような交流電動機の駆動装置や、交流発電機の発生電力を直流に変換して直流電源に回生する電力変換装置に適用可能である。
図1において、インバータ1の制御装置内には空転再起動制御部Aとゲート信号切替部13とが設けられている。空転再起動制御部Aには相数変換部5から出力される巻線電流(電機子電流)の二相成分iα,iβが入力され、その出力が空転再起動時におけるインバータ1の各スイッチング素子に対するゲート信号となっている。そして、ゲート信号切替部13は、空転再起動制御部Aからの切替制御信号sにより、電流制御部7からの定常時のゲート信号と空転再起動時のゲート信号とを切り替えるように動作する。
【0011】
以下、本発明の動作を説明する。空転再起動制御部Aには巻線電流の二相成分iα,iβが入力されているので、空転再起動制御部Aは、インバータ1が停止していて同期電動機2の電流がゼロである状態を検出することができる。
このとき、空転再起動制御部Aが、インバータ1の半導体スイッチング素子の少なくとも一つをオンさせるようなゲート信号を生成して出力し、同時に切替制御信号sによってゲート信号切替部13を空転再起動制御部A側に切り替えれば、半導体スイッチング素子の少なくとも一つがオンして電動機2の固定子巻線のうち少なくとも一相が短絡する。
その際、回転子30が空転していれば逆起電力の作用によって巻線に電流が流れる。この電流は、磁極位置と回転速度とに依存するので、流れる電流値から磁極位置と回転速度とを判定することができる。
【0012】
上述のように、空転再起動制御部Aは、巻線電流がゼロの状態で回転子が空転しているときに、インバータ1の半導体スイッチング素子の少なくとも一つをオンさせることにより固定子巻線を短絡状態にして逆起電力による巻線電流を流すように作用する。そして、このときの電流を検出し、その電流値から磁極位置と回転速度とを演算する。更に、得られた演算結果から通常の制御を行うための電流指令等の初期値を設定すると共に、これを電流制御部7等に転送してインバータ1を制御することで、装置の再起動が実行される。
【0013】
請求項1記載の発明は、以下の請求項2〜9によって更に具体化される。
すなわち、請求項2記載の発明は、請求項1記載の交流回転機用電力変換装置において、回転機の回転子の空転時に、電力変換器により回転機の全相巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定するものである。
【0014】
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の交流回転機用電力変換装置において、回転機の巻線を短絡させて巻線電流を検出してから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングするものである。これにより、過電流が長期間流れるのを防止することができる。
【0015】
請求項4記載の発明は、請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を2回行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流が最大となる位相の差、すなわち電流ベクトルの位相差に基づいて回転子の回転速度を算出するものである。これにより、複雑な演算や多数のデータの記憶を要することなく回転子の回転速度を推定演算することができる。
【0016】
請求項5記載の発明は、請求項4記載の交流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする2回の動作の間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定するものである。これにより、回転子の回転方向の特定が容易になる。
【0017】
請求項6記載の発明は、請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、検出した巻線電流の瞬時ベクトルの位相を、このベクトルが360°を複数に分割して形成した扇形領域のうち何れの領域に存在するかによって推定するものである。
【0018】
請求項7記載の発明は、請求項6記載の交流回転機用電力変換装置において、電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を3回以上行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流を用いて回転子の位置、回転方向及び回転速度を推定するものである。
【0019】
請求項8記載の発明は、請求項7記載の交流回転機用電力変換装置において、巻線電流をゼロにする3回以上の動作の間隔のうち、少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定し、かつ、他の少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間以上に設定するものである。
【0020】
請求項9記載の発明は、請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、検出した巻線電流の大きさが過電流にならない範囲で所定の規定値よりも小さい場合には、巻線の短絡期間を長く設定して前記規定値を超える巻線電流を再度検出し、それから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングする動作を行うものである。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図2は本発明の実施形態を示すブロック図である。図1と同一の構成要素には同一符号を付してあり、以下では異なる部分を中心に説明する。
図2において、磁極位置推定部(起動時)10、状態制御部11、巻線短絡部12が図1における空転再起動制御部Aに相当する。このうち、磁極位置推定部(起動時)10には相数変換部5から出力された電流の二相成分iα,iβと状態制御部11からの制御信号aが入力されており、再起動時用の磁極位置推定値θiが磁極位置推定部(定常時)9に出力され、回転角速度推定値ωiが電流制御部7に出力されている。
また、状態制御部11からは切替制御信号sと制御信号bとが出力され、切替制御信号sは前記同様にゲート信号切替部13に、制御信号bは巻線短絡部12に加えられている。
【0022】
上記状態制御部11は、インバータ1の停止状態を検出し、巻線短絡部12に制御信号bを送ってインバータ1の半導体スイッチング素子の少なくとも一つをオンさせることにより固定子巻線を短絡させ、かつ、制御信号aを磁極位置推定部(起動時)10に送って再起動時の磁極位置θi及び回転角速度ωiの推定演算を実行させるものである。
【0023】
次に、本実施形態による再起動手順を、図3のフローチャートを参照しつつ説明する。この手順は、状態制御部11を中心として実行されるものであり、請求項2に記載した発明の実施形態に相当する。
インバータ1が停止していて回転子が空転している状態(S1)において、状態制御部11からゲート信号切替部13に切替制御信号sが送られると、インバータ1へのゲート信号線は巻線短絡部12側に切り替わる。
次いで、巻線短絡部12によってインバータ1の各相の上アームすべてまたは下アームすべての半導体スイッチング素子をオンすると、電動機2の全相の固定子巻線が短絡され、逆起電力(誘導起電力)によって巻線に電流が流れる(S2)。
磁極位置推定部(起動時)10は、一定時間t0〔s〕経過後の巻線電流(二相成分iα,iβ)を検出し(S3)、これに基づいて磁極位置及び回転角速度を演算する(S4)と共に、再起動時の磁極位置θiと回転角速度ωiとを推定演算する(S5)。このうち、磁極位置推定値θiは磁極位置推定部(定常時)9に、回転角速度推定値ωiは電流制御部7にそれぞれ初期値として送られ、切替制御信号sによりゲート信号切替部13で切り替えられた電流制御部7からのゲート信号が、インバータ1に送られて再起動される(S6)。
【0024】
さて、本実施形態において、巻線短絡時の電流に基づいて磁極位置及び回転角速度を推定する方法につき説明する。
空転状態から再起動を行うには、再起動時にインバータ1の出力電圧の振幅、位相、周波数を同期電動機2の逆起電力のそれらとほぼ等しくする必要がある。さもないと、同期電動機2とインバータ1との間に大きな電位差が生じ、過電流状態となって正しく起動できない。また、回転子が両方向に回転し得る場合には、回転方向を知る必要がある。ここで、逆起電力の振幅は、逆起電力の周波数すなわち回転子の回転速度に比例するので、逆起電力の振幅を知ることができれば直ちに求めることができる。
従って、再起動を行う場合に必要となるのは、逆起電力の周波数及び位相、すなわち回転子の磁極位置及び回転速度並びに回転方向ということになる。
【0025】
まず、磁極位置の推定方法につき説明する。ここでは、永久磁石同期電動機2が三相二極電動機の場合につき説明するが、以下の説明は同期電動機の相数及び極数が三相二極以外の場合にも同様に成り立つ。
いま、同期電動機に関する座標系を前述した図7のように定義する。すなわち、
・d−q座標系:回転子30のN極の方向をd軸、このd軸に直交する方向をq軸とする座標系
・α−β座標系:u相巻線に正の電流を流したときに磁束が発生する方向をα軸、このα軸に直交する方向をβ軸とする座標系
【0026】
回転子の空転中に巻線を短絡することによって流れる電流は、三相電流として検出される。u,v,w各相の電流をそれぞれiu,iv,iwとすると、二相成分であるiα,iβは数式1によって求めることができる。
【0027】
【数1】

Figure 0003636340
【0028】
α−β座標系における電流ベクトルの方向は数式2となる。なお、θcは電流ベクトルのα軸に対する角度である。
【0029】
【数2】
θc=tan-1(iβ/iα)
【0030】
一方、永久磁石同期電動機2の電動機方程式は、数式3で与えられる。
なお、数式3において、vは電動機端子電圧、iは電機子電流、Pは微分演算子、ωは回転子の回転角速度(電気角)、ψfは逆起電力定数、Rは電動機の巻線抵抗、Lは電動機の巻線インダクタンス、添字d,qは各量のd軸、q軸成分である。
【0031】
【数3】
Figure 0003636340
【0032】
数式3を変形すると、数式4に示すように電流に関する状態方程式を得る。
【0033】
【数4】
Figure 0003636340
【0034】
数式4の状態方程式を解くと、数式5を得る。
但し、条件としてωは一定値、R=0、vとiの初期値は何れも0とする。実際には、回転子の空転状態で巻線短絡により電流が流れるとトルクが発生し、これがωを変化させるが、短絡期間が短い場合にはωの変化を無視することができるので、ωは一定値として扱って良い。また、短絡期間が短い場合、巻線抵抗による波形の減衰も小さいため、R=0と近似することができる。更に、短絡開始時のv,iの初期値は0となる。
【0035】
【数5】
Figure 0003636340
【0036】
数式5によれば、回転子の回転角速度がωであるときに巻線を短絡した場合のid,iqを求めることができる。すなわち、図3に示したように巻線を短絡してから一定期間t0〔s〕経過後に電流を検出する場合、数式5にt=t0を代入することでid,iqを演算することができる。
ここで、回転子の磁極位置をθとすると、数式5からα−β座標系における電流ベクトルの方向は数式6となる。
【0037】
【数6】
θc=θ+tan-1(iq/id
【0038】
従って、数式2及び数式6により、磁極位置θは数式7から求められることが判る。
【0039】
【数7】
θ=tan-1(iβ/iα)−tan-1(iq/id
【0040】
次に、数式7により磁極位置θを求めるにはωを知る必要があるので、これについて説明する。
短絡電流の絶対値Isは数式8によって得られる。
【0041】
【数8】
Figure 0003636340
【0042】
上記数式8は、0<ωt<π/2〔rad〕の範囲で単調増加関数である。従って、電動機の巻線を短絡してから0<ωt<π/2〔rad〕を満たすような時間後のIsを検出することにより、ωを逆算することができる。
ここで、数式8からωに関して解いた関数は複雑な式になるため、あらかじめωとIsとの関係を調べてテーブルを作成し、制御装置に記憶させておけば、複雑な演算を行わなくても直ちにωを求めることができる。
【0043】
以上のように、電動機の回転方向が既知であると仮定した場合には、上述した原理で同期電動機2の磁極位置と回転角速度とを知ることができ、これらに基づいて逆起電力の周波数、振幅、位相を求めることができる。従って、インバータ1が発生するべき出力電圧の周波数、振幅、位相がわかり、これらに従った電流制御部7からの指令によりインバータ1を運転すれば、空転中の同期電動機2を再起動することができる。再起動後は、従来から知られている同期電動機2の逆起電力に基づく制御方法に則って駆動すれば良い。
【0044】
次に、請求項3に記載した発明の実施形態を説明する。
上述した原理を用いて実際に空転状態の電動機2を再起動する場合、巻線を短絡して一定期間後の電流値を検出し、逆起電力の位相と速度とを演算してインバータ1の出力電圧を求めるという一連の動作を短期間で行う必要がある。この期間が長くなると、短絡電流Isが増大して過電流状態になり、素子を破壊してしまう。
【0045】
そこで、巻線を短絡して一定期間t0後に電流を検出した後、インバータ1の半導体スイッチング素子をすべてターンオフすること(以後、これら一連の動作をゼロ電圧パルス(ZVP)の印加という)により電流を一旦ゼロとし、その状態で電流検出時の逆起電力の位相及び速度を推定演算して全スイッチング素子がターンオフしてから一定期間t1後に再起動を行う。
この再起動までの期間t1が例えば数〔ms〕と短ければ、回転子の回転速度はその間、一定であると考えられる。
よって、再起動を行う時の磁極位置θsは、巻線短絡による電流検出時の磁極位置θ、角速度ω及び期間t1から、数式9により求めることができる。
【0046】
【数9】
θs=θ+ωt1
【0047】
次いで、請求項4に記載した発明の実施形態を説明する。回転子の回転速度を電流の振幅から求める場合、前述のように複雑な演算を行うか、回転速度と電流振幅との関係を制御回路が記憶しておくかの何れかの方法をとる必要があり、制御装置にかかる負担が大きいという問題がある。
このため、一層容易に回転子の回転速度を推定する方法として、前述したZVPの印加を2回行い、各回で得られた電流ベクトルの方向の差から回転子の回転速度を求めることも可能である。
すなわち、2回のZVPの印加の間隔をt2とし、各回において検出された電流ベクトルの方向の差をδ〔rad〕とすると、回転子の回転角速度ωは数式10によって求めることができる。但し、期間t2は数〔ms〕という短い期間であるとする。
【0048】
【数10】
ω=δ/t2
【0049】
次に、請求項5に記載した発明の実施形態を説明する。回転子が両方向に回転し得る場合には、回転方向を知る必要がある。これは、上記の実施形態において、ZVPを2回印加する間隔t2を、回転子が最大回転速度(規定値)にて回転する際に電気角で180°進む時間よりも短くすることによって求めることができる。
すなわち、回転子の最大回転角速度をωmaxとすると、間隔t2の満たすべき条件は数式11となる。
【0050】
【数11】
2<π/ωmax
【0051】
もし、数式11の条件が満足されない場合には、例えば回転子が正方向に160°回転したときと、逆方向に200°回転したときとでδの演算結果が等しくなるため、回転方向を判別することはできない。
【0052】
次いで、請求項6に記載した発明の実施形態を説明する。図4は、巻線短絡時に検出した電流の瞬時ベクトルiが、360°を30°ごとに分割した扇形領域のうち何れの領域に存在するかを検出する動作を説明するためのものである。
電流ベクトルiがどの領域に存在するかを検出する手順は以下のとおりである。
(1)手順1
|iα|,|iβ|を演算する。また、ベクトルi’を数式12のように新たに定義する。
【0053】
【数12】
|i’|=√(iα2+iβ2),
∠i’=θc’=tan-1|iβ/iα|
【0054】
(2)手順2
ベクトルi’の位相角θc’は、次のように判定することができる。
2×|iβ|<|iα|ならば、0°≦θc’<30°
2×|iα|<|iβ|ならば、60°<θc’≦90°
上記2つの条件の何れにも該当しなければ、30°≦θc’≦60°
【0055】
(3)手順3
手順2により判定したθc’と、iα,iβの極性とに基づいて、ベクトルiの位相角θcとθc’とを次のように関係付けることができる。
iα>0,iβ>0ならば、θc=θc
iα>0,iβ<0ならば、θc=−θc
iα<0,iβ<0ならば、θc=180°+θc
iα<0,iβ>0ならば、θc=180°−θc
【0056】
以上の手順1〜手順3により、図4においてベクトルiが存在する領域を特定することができる。再起動のための磁極位置の初期値θsを演算する場合、θcが存在する扇形領域内の適当な値、例えば扇形領域の中心となる角度(例:0°〜30°の領域では15°)をθcとして設定すればよい。
その場合の実際値との誤差は、上記の例では±15°となる。なお、iα,iβ及びそれらの絶対値に関する条件判定において等号が成り立つ場合には、ベクトルiは各扇形領域の境界線上にあることは言うまでもない。
【0057】
次いで、請求項7に記載した発明の実施形態を説明する。
上述した請求項6記載の発明の実施形態のように、磁極位置を正確な値でなくベクトルiの存在する領域内のある角度として決める場合、誤差が発生する。これは、再起動時の磁極位置の初期値(推定値)θsの誤差要因となるため、再起動時の動作の乱れを誘発し、最悪の場合には再起動に失敗して回転子の回転が制御不能となる。
特に、請求項4記載の発明の実施形態で説明したように、いわゆるZVPの印加を2回行って回転子の回転角速度ωと磁極位置の初期値θsとを算出する場合、その両者に誤差が生じるため影響が非常に大きくなる。
【0058】
そこで、請求項7の発明では、ZVPの印加を2回ではなく3回以上行うことにより、ω及びθsの推定誤差を低減するようにした。なお、ZVPの複数回の印加は、例えば数〔ms〕といった短い期間に行われるものとし、その間、回転子の回転速度は一定値と見なせるものとする。
以下、本発明の実施形態を図5を参照しつつ説明する。第n回目のZVP印加による磁極位置推定値をθen、その時の磁極位置の実際値をθn、磁極位置を決めるために360°を等間隔で複数に分割した扇形領域の中心角を2δとし、その中心に磁極位置を決めるものとすると、数式13が成り立つ。
【0059】
【数13】
θn−δ<θen<θn+δ
【0060】
ここで、ZVPを印加する間隔を一定値t2とする。第n回目のZVP印加時の回転子の角速度推定値をωenとすると、数式14が成り立つ。但し、数式14において、n≧3である。
【0061】
【数14】
ωen=θen−θe(n-1)/t2
【0062】
n回のZVP印加によって得られたn−1個のωの推定値の平均値をωavrとし、これを再起動時の回転子の回転角速度推定値として用いるものとする。ωavrに関しては、数式15が成り立つ。
【0063】
【数15】
Figure 0003636340
【0064】
数式13から、θenの最大誤差は±δであるので、数式15から、ωavrのとり得る最大値及び最小値は数式16のようになる。
【0065】
【数16】
(θn−θ2)/{(n−1)t2}±2δ/{(n−1)t2
【0066】
数式16の第1項がωの真値、第2項が誤差である。数式16から、ZVP印加の回数nを増加させることによってωavrの誤差を低減できることが判る。
第n回目のZVP印加後、t1を経過してから再起動を行うものとすれば、前述した請求項3の実施形態の数式9に準じて、再起動時の磁極位置の初期値は数式17のように導出される。
【0067】
【数17】
θs=θen+ωavr1
【0068】
従って、ωの推定誤差を低減することにより、再起動時の磁極位置θsの誤差をも低減することができる。
【0069】
請求項8に記載した発明の実施形態を説明する。この実施形態は、ωの推定誤差を低減する別の方法に関する。
前述の数式13、数式14から、ωenのとり得る最大値、最小値は、数式18のようになる。
【0070】
【数18】
(θn−θn-1)/t2±2δ/t2
【0071】
数式18の第1項がωの真値、第2項が誤差である。δは一定なので、ZVPの印加間隔t2を大きくすることによってωの推定誤差を小さくすることができる。
但し、請求項5の発明の実施形態で説明したように、回転子が両方向に回転し得る場合には回転方向を知る必要があり、そのためには、ZVP印加の間隔t2は前述した数式11を満たす必要がある。
【0072】
従って、3回以上のZVP印加のうち、少なくとも1回は、ZVP印加の間隔t2を数式11を満足するような値にして回転方向を判定する必要がある。そして、他の少なくとも1回は、ZVP印加の間隔t2を回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間以上に設定することにより、ωの推定誤差を低減させればよい。
【0073】
最後に、請求項9に記載した発明の実施形態を説明する。
巻線の短絡期間t0が一定である場合、回転速度が大きいほどZVP印加時の電流値は大きくなる。従って、t0は最大回転速度で回転子が回転している場合においても巻線電流が過電流とならないような値(t00)に決定する。これにより、回転速度が小さい場合にはZVP印加時に流れる電流が小さくなる。
【0074】
一方、電流検出値にはノイズが重畳しているので、電流検出値が小さくなると相対的にノイズの影響が大きくなり、その結果、磁極位置及び回転速度の推定誤差が大きくなるという問題を生じる。
これを解決するために、まず過電流を防止するように設定した短絡期間t00によってZVP印加を行い、このときに検出された電流ベクトルの振幅が設定値よりも小さい場合には短絡期間をt00よりも長くしてZVP印加を再度行う。
これにより、低速回転時でも電流検出値の振幅を十分に大きくすることができ、磁極位置及び回転速度の高精度な推定が可能になる。
【0075】
なお、上記実施形態では本発明をもっぱら永久磁石同期電動機の駆動装置に適用した場合につき説明したが、先に述べたように、本発明は、インバータが停止していて端子電圧が印加されていない状態で回転子が空転することにより電動機の固定子巻線に逆起電力(誘導起電力)が生じているような電動機一般の駆動装置に適用可能である。
【0076】
更に、本発明は、例えば風力発電機等の交流発電機が発生する交流電力を、電力変換器により直流電力に変換して直流電源に回生するシステムをも含むものである。その場合の回路構成は、例えば図1における同期電動機2を発電機に置き換えれば良い。
【0077】
【発明の効果】
以上のように請求項1,2記載の発明によれば、例えばインバータにより駆動される位置・速度センサレス方式の電動機において、空転状態から再起動する際に、インバータの半導体スイッチング素子の少なくとも一つ、または全相のスイッチング素子をオンさせて巻線を短絡し、その時に流れる電流値から回転子の位置を検出するため、位置・速度センサレスの駆動方式においても空転状態での再起動が可能になる。また、電動機の端子電圧を検出して回転子の位置を推定する必要がないから、高価な電圧検出器が不要になり、コストの上昇を招くこともない。
【0078】
更に、請求項3記載の発明では、巻線短絡後にゼロ電圧パルスを印加して電流を一旦ゼロにした状態で回転子の位置を推定演算するため、短絡による過電流が長期にわたって流れるのを回避して素子を保護することができる。
【0079】
請求項4記載の発明では、ゼロ電圧パルスを2回印加し、各回の電流位相差から回転速度及び回転子位置を推定するようにしたので、回転速度の推定演算が一層容易になる。
【0080】
請求項5記載の発明では、請求項4の発明における2回のゼロ電圧パルスの印加間隔を、回転子が最大回転数で回転しているときに電気角で180°移動する期間よりも短くすることにより、回転子位置の最大変化量が180°以下になるので、回転方向を容易に特定することができる。
【0081】
請求項6記載の発明によれば、巻線電流の瞬時ベクトルが複数の扇形領域のうちの何れの領域に存在するかを判定して再起動のための磁極位置の初期値を決定することができる。
【0082】
請求項7または請求項8記載の発明では、請求項6の発明に起因する磁極位置の誤差や回転角周波数の誤差を低減することにより、再起動の確実性が向上する。
【0083】
請求項9記載の発明によれば、低速回転時においても、過電流にならない範囲で電流検出値の大きさをノイズの影響を受けない程度に大きくでき、これによって磁極位置及び回転速度を高精度に推定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1に記載した発明の構成を例示的に示すブロック図である。
【図2】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図3】図2の実施形態における再起動手順を示すフローチャートである。
【図4】巻線短絡時に検出した電流の瞬時ベクトルの存在領域を説明するための図である。
【図5】請求項7に記載した発明の実施形態を説明するための図である。
【図6】従来の磁極位置センサ付き永久磁石同期電動機の駆動装置を示すブロック図である。
【図7】永久磁石回転子及びα−β座標系、d−q座標系の説明図である。
【図8】従来の磁極位置・速度センサレス方式の永久磁石同期電動機の駆動装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
1 インバータ
2 永久磁石同期電動機
3u,3v,3w 電流検出器
4u,4v,4w 電流検出器ゲイン
5 相数変換部
6 座標変換部
7 電流制御部
8 速度演算部
9 磁極位置推定部(定常時)
10 磁極位置推定部(起動時)
11 状態制御部
12 巻線短絡部
13 ゲート信号切替部
20 直流電源
30 永久磁石回転子
A 空転再起動制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a position / speed sensorless type power converter for an AC rotating machine that operates an AC rotating machine without using a rotor position sensor, a speed sensor, and a terminal voltage sensor. For example, the inverter is stopped and the terminal is stopped. It may be a drive device for a permanent magnet synchronous motor in which a counter electromotive force (inductive electromotive force) is generated in a stator winding of an electric motor due to idling of a rotor in a state where no voltage is applied.
[0002]
[Prior art]
In the following conventional technology, a drive device for a permanent magnet synchronous motor is exemplified.
FIG. 6 shows a drive device for a permanent magnet synchronous motor with a magnetic pole position sensor. In the figure, 20 is a DC power source, 1 is an inverter having a parallel circuit composed of a semiconductor switching element and an anti-parallel diode in upper and lower arms for three phases, 2 is a permanent magnet synchronous motor (PM motor) having a permanent magnet rotor, 3u, 3v and 3w are current detectors for detecting the stator winding current of each phase, 4u, 4v and 4w are current detector gains, and 5 is a detected phase current i.u, Iv, IwIs converted to two-phase components iα and iβ, and 6 is a magnetic flux direction component of the two-phase components iα and iβ based on the rotor magnetic pole position (magnetic flux direction produced by the magnetic pole) θ detected by the magnetic pole position sensor 14. idAnd a directional component i orthogonal theretoqThe coordinate conversion unit 7 for converting to the rotation angle velocity ω calculated by inputting the magnetic pole position θ to the velocity calculation unit 8 and the magnetic flux direction component idAnd its orthogonal component iqIs a current control unit that generates a gate signal of the semiconductor switching element of the inverter 1 and controls the current of the synchronous motor 2 to a predetermined value.
Here, FIG. 7 is an explanatory diagram of the permanent magnet rotor and the α-β coordinate system which is a stationary coordinate system and the dq coordinate system which is a rotary coordinate system, and θ is the magnetic pole position of the permanent magnet rotor 30. .
[0003]
In this drive device, since the magnetic pole position θ of the rotor can always be detected by the magnetic pole position sensor 14, even if the rotor 30 is idling while the inverter 1 is stopped, the inverter 1 and the rotor 1 and the rotor 1 according to the detected magnetic pole position θ. It is possible to restart the synchronous motor 2.
[0004]
On the other hand, FIG. 8 shows a drive device for a permanent magnet synchronous motor of a magnetic pole position / speed sensorless system. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as FIG.
This sensorless drive device is described in, for example, a paper “Sensorless salient pole type brushless DC motor control based on speed electromotive force estimation” published in the January 1997 issue of the IEEJ Transaction D “Industrial Applications”. ing.
[0005]
The drive apparatus of FIG. 8 is provided with a magnetic pole position estimation unit 9, and the magnetic flux direction component v of the terminal voltage of the synchronous motor 2 output from the current control unit 7.dAnd orthogonal component vqAnd the magnetic flux direction component i of the armature current output from the coordinate conversion unit 6dAnd orthogonal component iqBased on the above, the magnetic pole position estimation unit 9 estimates the magnetic pole position θ of the rotor.
[0006]
Here, the terminal voltage of the synchronous motor 2 can be detected by using a voltage detector, but in many cases, the synchronous motor is directly connected to the inverter, so that the terminal voltage is equal to the output voltage of the inverter. You can think about it. Therefore, when the actual output voltage value of the inverter can be regarded as the command value, the output voltage command value of the inverter can be replaced with the terminal voltage of the synchronous motor and used to estimate the magnetic pole position θ. Therefore, the method of FIG. 8 does not require a voltage detector for detecting the terminal voltage, and the necessary detection amount is only the armature current of the synchronous motor 2.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the method of FIG. 8, no armature current flows when the inverter 1 is stopped, that is, when all the semiconductor switching elements are off, so that no information on the magnetic pole position θ is obtained. For this reason, when the inverter 1 is stopped and the rotor 30 is idling, the magnetic pole position θ cannot be known, so that the synchronous motor 2 cannot be restarted via the inverter 1.
If a voltage detector that detects the terminal voltage of the synchronous motor 2 is used, the phase and frequency of the back electromotive force of the motor can be known, and hence the magnetic pole position can be estimated. However, this voltage detector is generally expensive. It is.
[0008]
Therefore, in the sensorless type driving apparatus as shown in FIG. 8, in order to perform restart without the voltage detector, for example, restart in a state where the inverter is stopped and the rotor is idle, It was very inconvenient because I had to wait until the rotor stopped.
Therefore, the present invention intends to provide a power converter for an AC rotating machine such as a motor driving device, which can be restarted in a state where the rotor is idling without using an expensive voltage detector or the like. Is.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention provides a power converter that operates an AC rotating machine, and a semiconductor switching element that constitutes the power converter to control the winding current of the rotating machine to a predetermined value. And a control device for generating and outputting an on / off signal for the AC rotating machine, and at least one of the semiconductor switching elements by the control device when the rotor of the rotating machine idles Is turned on, the winding of the rotating machine is short-circuited, the position of the rotor is estimated based on the winding current flowing at that time, and the power converter is restarted.
[0010]
FIG. 1 is a block diagram exemplarily showing the configuration of the invention according to claim 1 described above, and the same components as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals.
In the following description, a drive device for a permanent magnet synchronous motor is illustrated. However, as described above, in the present invention, the rotor rotates idly when the power converter is stopped and no terminal voltage is applied. Applicable to AC motor drives where back electromotive force (inductive electromotive force) is generated in the stator windings, and power converters that convert the generated power of the AC generator into direct current and regenerate it into a direct current power supply It is.
In FIG. 1, an idling restart control unit A and a gate signal switching unit 13 are provided in the control device of the inverter 1. The idling restart control unit A receives the two-phase components iα and iβ of the winding current (armature current) output from the phase number conversion unit 5 and outputs the switching elements of the inverter 1 at the idling restart. Is a gate signal. Then, the gate signal switching unit 13 operates to switch between the steady gate signal from the current control unit 7 and the gate signal at the idling restart by the switching control signal s from the idling restart control unit A.
[0011]
The operation of the present invention will be described below. Since the two-phase components iα and iβ of the winding current are input to the idling restart control unit A, the idling restart control unit A is in a state where the inverter 1 is stopped and the current of the synchronous motor 2 is zero. Can be detected.
At this time, the idling restart control unit A generates and outputs a gate signal that turns on at least one of the semiconductor switching elements of the inverter 1, and simultaneously the idling restart of the gate signal switching unit 13 by the switching control signal s. When switching to the control unit A side, at least one of the semiconductor switching elements is turned on, and at least one phase of the stator winding of the electric motor 2 is short-circuited.
At this time, if the rotor 30 is idling, a current flows through the winding by the action of the counter electromotive force. Since this current depends on the magnetic pole position and the rotational speed, it is possible to determine the magnetic pole position and the rotational speed from the flowing current value.
[0012]
As described above, the idling restart control unit A turns on at least one of the semiconductor switching elements of the inverter 1 to turn on the stator winding when the rotor is idling with the winding current being zero. Is operated in a short-circuit state so that a winding current caused by a back electromotive force flows. Then, the current at this time is detected, and the magnetic pole position and the rotation speed are calculated from the current value. Furthermore, the initial value of a current command or the like for performing normal control is set from the obtained calculation result, and this is transferred to the current control unit 7 or the like to control the inverter 1, thereby restarting the apparatus. Executed.
[0013]
The invention described in claim 1 is further embodied by the following claims 2-9.
That is, the invention according to claim 2 is the power converter for an AC rotating machine according to claim 1, wherein when the rotor of the rotating machine is idling, all the phase windings of the rotating machine are short-circuited by the power converter. The position of the rotor is estimated based on the winding current flowing through the rotor.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, in the power converter for an AC rotating machine according to the first or second aspect, the winding current is detected after a certain period of time has elapsed since the winding current is detected by short-circuiting the winding of the rotating machine. The power converter is switched so as to be zero. Thereby, it is possible to prevent overcurrent from flowing for a long period of time.
[0015]
According to a fourth aspect of the present invention, in the power converter for an AC rotating machine according to the third aspect, the operation of making the winding current zero by switching the power converter is performed twice, and a short circuit detected at each time The rotational speed of the rotor is calculated on the basis of the phase difference at which the winding current becomes maximum, that is, the phase difference of the current vectors. As a result, the rotational speed of the rotor can be estimated and calculated without requiring complicated calculations or storing a large amount of data.
[0016]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the power converter for an AC rotating machine according to the fourth aspect of the present invention, wherein the rotor is set at the maximum number of rotations so that the winding current is zero by switching the power converter. This is set to be shorter than the period of 180 ° movement in electrical angle when rotating. Thereby, it becomes easy to specify the rotation direction of the rotor.
[0017]
According to a sixth aspect of the present invention, in the power converter for an AC rotating machine according to the third aspect, the phase of the instantaneous vector of the detected winding current is expressed by a sector region formed by dividing the vector into 360 °. It is estimated according to which region it is in.
[0018]
According to a seventh aspect of the present invention, in the power converter for an AC rotating machine according to the sixth aspect, the operation of making the winding current zero by switching the power converter is performed three times or more, and a short circuit detected at each time The position, rotation direction, and rotation speed of the rotor are estimated using the winding current at the time.
[0019]
According to an eighth aspect of the present invention, in the power converter for an AC rotating machine according to the seventh aspect, at least one of the intervals of the three or more operations in which the winding current is zero is set at the maximum rotation of the rotor. Set shorter than the period of 180 ° electrical angle when rotating at a number, and at least one other interval is moved 180 ° at electrical angle when the rotor is rotating at maximum speed It is set to be longer than the period.
[0020]
According to a ninth aspect of the present invention, in the power converter for an AC rotating machine according to the third aspect, when the detected winding current is smaller than a predetermined specified value within a range that does not become an overcurrent, the winding The winding current exceeding the specified value is detected again by setting the short-circuit period for a long time, and after that, after a certain period of time, the power converter is switched so that the winding current becomes zero.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and different portions will be mainly described below.
In FIG. 2, the magnetic pole position estimation unit (at startup) 10, the state control unit 11, and the winding short-circuit unit 12 correspond to the idling restart control unit A in FIG. 1. Among them, the magnetic pole position estimation unit (at startup) 10 receives the two-phase components iα and iβ of the current output from the phase number conversion unit 5 and the control signal a from the state control unit 11. Magnetic pole position estimate θiIs output to the magnetic pole position estimator 9 (steady state), and the rotational angular velocity estimated value ωiIs output to the current control unit 7.
The state control unit 11 outputs a switching control signal s and a control signal b. The switching control signal s is applied to the gate signal switching unit 13 and the control signal b is applied to the winding short-circuit unit 12 as described above. .
[0022]
The state control unit 11 detects the stop state of the inverter 1 and sends a control signal b to the winding short-circuit unit 12 to turn on at least one of the semiconductor switching elements of the inverter 1 to short-circuit the stator winding. In addition, the control signal a is sent to the magnetic pole position estimation unit (at startup) 10 to restart the magnetic pole position θ at the time of restart.iAnd rotational angular velocity ωiThe estimation calculation is executed.
[0023]
Next, the restart procedure according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart of FIG. This procedure is executed centering on the state control unit 11 and corresponds to an embodiment of the invention described in claim 2.
When the inverter 1 is stopped and the rotor is idling (S1), when the switching control signal s is sent from the state control unit 11 to the gate signal switching unit 13, the gate signal line to the inverter 1 is wound. It switches to the short circuit part 12 side.
Next, when all the semiconductor switching elements of the upper arm or the lower arm of each phase of the inverter 1 are turned on by the winding short-circuit unit 12, the stator windings of all the phases of the motor 2 are short-circuited, and the counter electromotive force (inductive electromotive force) ) Causes a current to flow through the winding (S2).
The magnetic pole position estimation unit (at startup) 100[S] The winding current (two-phase components iα, iβ) after elapse is detected (S3), and the magnetic pole position and the rotational angular velocity are calculated based on this (S4).iAnd rotational angular velocity ωiAre estimated and calculated (S5). Of these, the estimated magnetic pole position θiIs the estimated rotational angular velocity value ωiAre sent to the current control unit 7 as initial values, and the gate signal from the current control unit 7 switched by the gate signal switching unit 13 by the switching control signal s is sent to the inverter 1 and restarted (S6). .
[0024]
Now, in the present embodiment, a method for estimating the magnetic pole position and the rotational angular velocity based on the current when the winding is short-circuited will be described.
In order to restart from the idling state, it is necessary to make the amplitude, phase and frequency of the output voltage of the inverter 1 substantially equal to those of the counter electromotive force of the synchronous motor 2 at the time of restart. Otherwise, a large potential difference is generated between the synchronous motor 2 and the inverter 1, and an overcurrent state occurs and cannot be started correctly. Also, if the rotor can rotate in both directions, it is necessary to know the direction of rotation. Here, since the amplitude of the counter electromotive force is proportional to the frequency of the counter electromotive force, that is, the rotational speed of the rotor, it can be obtained immediately if the amplitude of the counter electromotive force can be known.
Therefore, what is necessary for restarting is the frequency and phase of the counter electromotive force, that is, the magnetic pole position and rotational speed of the rotor, and the rotational direction.
[0025]
First, a method for estimating the magnetic pole position will be described. Here, the case where the permanent magnet synchronous motor 2 is a three-phase two-pole motor will be described. However, the following description is similarly applied to the case where the number of phases and the number of poles of the synchronous motor are other than the three-phase two-pole motor.
Now, the coordinate system related to the synchronous motor is defined as shown in FIG. That is,
Dq coordinate system: a coordinate system in which the direction of the N pole of the rotor 30 is the d axis, and the direction orthogonal to the d axis is the q axis.
.Alpha .-. Beta. Coordinate system: a coordinate system in which the direction in which magnetic flux is generated when a positive current is passed through the u-phase winding is the .alpha. Axis and the direction orthogonal to the .alpha. Axis is the .beta. Axis.
[0026]
The current that flows by short-circuiting the windings during idling of the rotor is detected as a three-phase current. u, v, w phase current iu, Iv, IwThen, iα and iβ, which are two-phase components, can be obtained by Equation 1.
[0027]
[Expression 1]
Figure 0003636340
[0028]
The direction of the current vector in the α-β coordinate system is expressed by Equation 2. ΘcIs the angle of the current vector with respect to the α-axis.
[0029]
[Expression 2]
θc= Tan-1(Iβ / iα)
[0030]
On the other hand, the motor equation of the permanent magnet synchronous motor 2 is given by Equation 3.
In Equation 3, v is the motor terminal voltage, i is the armature current, P is the differential operator, ω is the rotational angular velocity (electrical angle) of the rotor, ψfIs the back electromotive force constant, R is the winding resistance of the motor, L is the winding inductance of the motor, and the subscripts d and q are the d-axis and q-axis components of each quantity.
[0031]
[Equation 3]
Figure 0003636340
[0032]
When Equation 3 is transformed, a state equation relating to current is obtained as shown in Equation 4.
[0033]
[Expression 4]
Figure 0003636340
[0034]
When the state equation of Equation 4 is solved, Equation 5 is obtained.
However, as a condition, ω is a constant value, R = 0, and the initial values of v and i are both 0. Actually, torque is generated when a current flows due to a short circuit of the winding in the idling state of the rotor, and this changes ω. It can be treated as a constant value. Further, when the short-circuit period is short, the waveform attenuation due to the winding resistance is also small, so that R = 0 can be approximated. Furthermore, the initial values of v and i at the start of the short circuit are zero.
[0035]
[Equation 5]
Figure 0003636340
[0036]
According to Equation 5, i when the winding is short-circuited when the rotational angular velocity of the rotor is ω.d, IqCan be requested. That is, as shown in FIG.0[S] When current is detected after elapse, t = t0By substituting id, IqCan be calculated.
Here, assuming that the magnetic pole position of the rotor is θ, the direction of the current vector in the α-β coordinate system from Equation 5 is Equation 6.
[0037]
[Formula 6]
θc= Θ + tan-1(Iq/ Id)
[0038]
Therefore, it can be seen from Equation 2 and Equation 6 that the magnetic pole position θ is obtained from Equation 7.
[0039]
[Expression 7]
θ = tan-1(Iβ / iα) -tan-1(Iq/ Id)
[0040]
Next, since it is necessary to know ω in order to obtain the magnetic pole position θ using Equation 7, this will be described.
Absolute value of short circuit current IsIs obtained by Equation 8.
[0041]
[Equation 8]
Figure 0003636340
[0042]
Equation 8 is a monotonically increasing function in the range of 0 <ωt <π / 2 [rad]. Therefore, after short-circuiting the windings of the motor, I after a time such that 0 <ωt <π / 2 [rad] is satisfied.sΩ can be calculated backward by detecting.
Here, since the function solved for ω from Equation 8 is a complicated equation, ω and IsIf a table is created by checking the relationship between and stored in the control device, ω can be obtained immediately without performing complicated calculations.
[0043]
As described above, when it is assumed that the rotation direction of the motor is known, the magnetic pole position and the rotation angular velocity of the synchronous motor 2 can be known based on the above-described principle, and based on these, the frequency of the counter electromotive force, Amplitude and phase can be obtained. Therefore, the frequency, amplitude, and phase of the output voltage that should be generated by the inverter 1 can be known, and if the inverter 1 is operated in accordance with a command from the current control unit 7 according to these, the idling synchronous motor 2 can be restarted. it can. After restarting, it may be driven in accordance with a conventionally known control method based on the counter electromotive force of the synchronous motor 2.
[0044]
Next, an embodiment of the invention described in claim 3 will be described.
When actually restarting the idling motor 2 using the above-described principle, the winding is short-circuited, the current value after a certain period is detected, the phase and speed of the counter electromotive force are calculated, and the inverter 1 It is necessary to perform a series of operations for obtaining the output voltage in a short period of time. As this period increases, the short-circuit current IsIncreases to an overcurrent state, destroying the device.
[0045]
Therefore, the winding is short-circuited for a certain period t.0After detecting the current later, all the semiconductor switching elements of the inverter 1 are turned off (hereinafter, a series of operations is referred to as application of a zero voltage pulse (ZVP)), and the current is once set to zero. The period and time after all the switching elements are turned off by estimating and calculating the phase and speed of the back electromotive force1Reboot later.
Period t until this restart1Is as short as several [ms], for example, it is considered that the rotational speed of the rotor is constant during that time.
Therefore, the magnetic pole position θ when restartingsIs the magnetic pole position θ, the angular velocity ω, and the period t at the time of current detection due to a winding short circuit1From the above, it can be obtained by Equation 9.
[0046]
[Equation 9]
θs= Θ + ωt1
[0047]
Next, an embodiment of the invention described in claim 4 will be described. When calculating the rotation speed of the rotor from the amplitude of the current, it is necessary to take either the complicated calculation as described above or the control circuit to store the relationship between the rotation speed and the current amplitude. There is a problem that the burden placed on the control device is large.
Therefore, as a method of estimating the rotation speed of the rotor more easily, it is possible to apply the ZVP twice as described above and obtain the rotation speed of the rotor from the difference in the direction of the current vector obtained each time. is there.
That is, the interval between two ZVP applications is t2Assuming that the difference in the direction of the current vector detected at each time is δ [rad], the rotational angular velocity ω of the rotor can be obtained by Equation 10. However, period t2Is a short period of several [ms].
[0048]
[Expression 10]
ω = δ / t2
[0049]
Next, an embodiment of the invention described in claim 5 will be described. If the rotor can rotate in both directions, it is necessary to know the direction of rotation. In the above embodiment, this is the interval t at which ZVP is applied twice.2Can be obtained by making it shorter than the time to advance 180 ° in electrical angle when the rotor rotates at the maximum rotation speed (specified value).
That is, the maximum rotational angular velocity of the rotor ismaxThen the interval t2The condition to be satisfied is expressed by Equation 11.
[0050]
## EQU11 ##
t2<Π / ωmax
[0051]
If the condition of Expression 11 is not satisfied, for example, the calculation result of δ is equal when the rotor is rotated 160 ° in the forward direction and when it is rotated 200 ° in the reverse direction. I can't do it.
[0052]
Next, an embodiment of the invention described in claim 6 will be described. FIG. 4 is a diagram for explaining an operation for detecting in which of the fan-shaped regions obtained by dividing 360 ° every 30 ° the instantaneous vector i of the current detected when the winding is short-circuited.
The procedure for detecting in which region the current vector i exists is as follows.
(1) Procedure 1
| Iα | and | iβ | are calculated. Also, the vector i 'is newly defined as in Expression 12.
[0053]
[Expression 12]
| I ’| = √ (iα2+ Iβ2),
∠i ’= θc‘= Tan-1| Iβ / iα |
[0054]
(2) Procedure 2
Phase angle θ of vector i 'c'Can be determined as follows.
If 2 × | iβ | <| iα |, 0 ° ≦ θc‘<30 °
If 2 × | iα | <| iβ |, then 60 ° <θc′ ≦ 90 °
If neither of the above two conditions is met, 30 ° ≦ θc′ ≦ 60 °
[0055]
(3) Procedure 3
Θ determined by procedure 2c′ And the polarities of iα and iβ, the phase angle θ of the vector icAnd θcCan be related as follows.
If iα> 0 and iβ> 0, θc= Θc
If iα> 0 and iβ <0, θc= −θc
If iα <0, iβ <0, θc= 180 ° + θc
If iα <0, iβ> 0, θc= 180 ° -θc
[0056]
By the above procedure 1 to procedure 3, the region where the vector i exists in FIG. 4 can be specified. Initial value θ of magnetic pole position for restartsWhen calculatingcAn appropriate value in the sector area where the angle exists, for example, an angle that becomes the center of the sector area (e.g., 15 degrees in an area of 0 ° to 30 °) is θcCan be set as
The error from the actual value in that case is ± 15 ° in the above example. Needless to say, the vector i is on the boundary line of each sector area when the equal sign holds in the condition determination regarding iα, iβ and their absolute values.
[0057]
Next, an embodiment of the invention described in claim 7 will be described.
As in the embodiment of the invention described in claim 6 described above, when the magnetic pole position is determined not as an accurate value but as an angle in the region where the vector i exists, an error occurs. This is the initial value (estimated value) θ of the magnetic pole position at restartsTherefore, the disturbance of the operation at the time of restart is induced, and in the worst case, the restart fails and the rotation of the rotor becomes uncontrollable.
In particular, as described in the embodiment of the invention described in claim 4, the so-called ZVP is applied twice, and the rotational angular velocity ω of the rotor and the initial value θ of the magnetic pole positionsWhen calculating the above, the effect is very large because an error occurs in both of them.
[0058]
Therefore, in the invention of claim 7, by applying ZVP three times or more instead of twice, ω and θsThe estimation error was reduced. It is assumed that the ZVP is applied a plurality of times in a short period, for example, a few [ms], and the rotational speed of the rotor can be regarded as a constant value during that period.
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The estimated magnetic pole position by the nth ZVP application is θen, The actual value of the magnetic pole position at that timenAssuming that the central angle of a sector region obtained by dividing 360 ° into a plurality of equal intervals in order to determine the magnetic pole position is 2δ and the magnetic pole position is determined at the center, Equation 13 is established.
[0059]
[Formula 13]
θn−δ <θenn+ Δ
[0060]
Here, the interval at which ZVP is applied is set to a constant value t.2And The estimated angular velocity of the rotor when the nth ZVP is applied is ωenThen, Formula 14 is established. However, in Expression 14, n ≧ 3.
[0061]
[Expression 14]
ωen= Θen−θe (n-1)/ T2
[0062]
The average value of n-1 estimated values of ω obtained by applying ZVP n times is expressed as ωavrAnd this is used as the estimated rotational angular velocity of the rotor at the time of restart. ωavrWith respect to, Equation 15 holds.
[0063]
[Expression 15]
Figure 0003636340
[0064]
From Equation 13, θenSince the maximum error of δ is ± δ, from Equation 15, ωavrThe maximum value and the minimum value that can be taken are given by Equation 16.
[0065]
[Expression 16]
n−θ2) / {(N-1) t2} ± 2δ / {(n−1) t2}
[0066]
The first term of Equation 16 is the true value of ω, and the second term is the error. From Equation 16, ω is increased by increasing the number n of ZVP applications.avrIt can be seen that the error can be reduced.
After nth ZVP application, t1If the restart is performed after elapse of, the initial value of the magnetic pole position at the time of restart is derived as shown in Expression 17 in accordance with Expression 9 of the embodiment of claim 3 described above.
[0067]
[Expression 17]
θs= Θen+ Ωavrt1
[0068]
Therefore, by reducing the estimation error of ω, the magnetic pole position θsThis error can also be reduced.
[0069]
An embodiment of the invention described in claim 8 will be described. This embodiment relates to another method for reducing the estimation error of ω.
From Equation 13 and Equation 14 above, ωenThe maximum value and the minimum value that can be taken are as shown in Equation 18.
[0070]
[Expression 18]
n−θn-1) / T2± 2δ / t2
[0071]
The first term of Equation 18 is the true value of ω, and the second term is the error. Since δ is constant, the ZVP application interval t2The estimation error of ω can be reduced by increasing.
However, as described in the embodiment of the invention of claim 5, when the rotor can rotate in both directions, it is necessary to know the rotation direction, and for that purpose, the ZVP application interval t is required.2Needs to satisfy Expression 11 described above.
[0072]
Accordingly, at least one of the three or more ZVP applications is at least one ZVP application interval t.2It is necessary to determine the rotation direction with a value satisfying Equation 11. And at least once, the ZVP application interval t2Is set to be equal to or longer than a period in which the rotor moves 180 ° in electrical angle when the rotor is rotating at the maximum rotation speed, the estimation error of ω may be reduced.
[0073]
Finally, an embodiment of the invention described in claim 9 will be described.
Winding short-circuit period t0Is constant, the current value when ZVP is applied increases as the rotational speed increases. Therefore, t0Is a value such that the winding current does not become an overcurrent even when the rotor is rotating at the maximum rotational speed (t00). As a result, when the rotational speed is low, the current that flows when ZVP is applied becomes small.
[0074]
On the other hand, since noise is superimposed on the current detection value, when the current detection value becomes small, the influence of noise becomes relatively large, resulting in a problem that the estimation error of the magnetic pole position and the rotation speed becomes large.
In order to solve this, first, the short-circuit period t set so as to prevent overcurrent.00When ZVP application is performed by the above, and the amplitude of the current vector detected at this time is smaller than the set value, the short-circuit period is set to t00The ZVP application is performed again after a longer time.
As a result, the amplitude of the current detection value can be sufficiently increased even during low-speed rotation, and the magnetic pole position and rotation speed can be estimated with high accuracy.
[0075]
In the above embodiment, the case where the present invention is applied exclusively to the drive device for a permanent magnet synchronous motor has been described. However, as described above, the present invention is such that the inverter is stopped and no terminal voltage is applied. The present invention can be applied to a general drive device of an electric motor in which a counter electromotive force (inductive electromotive force) is generated in a stator winding of the electric motor due to idling of the rotor in the state.
[0076]
Furthermore, the present invention includes a system that converts AC power generated by an AC generator such as a wind power generator into DC power by a power converter and regenerates the DC power. The circuit configuration in that case may be replaced with, for example, the synchronous motor 2 in FIG.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the first and second aspects of the invention, for example, in the position / speed sensorless type motor driven by the inverter, when restarting from the idling state, at least one of the semiconductor switching elements of the inverter, Alternatively, the switching elements of all phases are turned on to short-circuit the windings, and the rotor position is detected from the current value flowing at that time, so even in the position / speed sensorless drive system, it is possible to restart in the idle state. . Further, since it is not necessary to detect the terminal voltage of the electric motor to estimate the position of the rotor, an expensive voltage detector is not required and the cost is not increased.
[0078]
Furthermore, in the invention described in claim 3, since the rotor position is estimated and calculated with a zero voltage pulse applied after the winding is short-circuited and the current is once zero, it is avoided that an overcurrent due to a short-circuit flows for a long period of time. Thus, the element can be protected.
[0079]
In the invention of claim 4, since the zero voltage pulse is applied twice and the rotational speed and the rotor position are estimated from the current phase difference of each time, the rotational speed estimation calculation is further facilitated.
[0080]
In the fifth aspect of the invention, the application interval of the two zero voltage pulses in the fourth aspect of the invention is made shorter than the period in which the rotor moves 180 degrees in electrical angle when the rotor rotates at the maximum rotational speed. As a result, the maximum amount of change in the rotor position is 180 ° or less, so the rotation direction can be easily specified.
[0081]
According to the sixth aspect of the present invention, the initial value of the magnetic pole position for restart can be determined by determining in which of the plurality of sector regions the instantaneous vector of the winding current exists. it can.
[0082]
In the invention according to claim 7 or claim 8, the reliability of restart is improved by reducing the error of the magnetic pole position and the error of the rotational angular frequency caused by the invention of claim 6.
[0083]
According to the ninth aspect of the present invention, the magnitude of the detected current value can be increased to the extent that it is not affected by noise even in the case of low-speed rotation without causing an overcurrent. Can be estimated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram exemplarily showing a configuration of an invention described in claim 1;
FIG. 2 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart showing a restart procedure in the embodiment of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram for explaining a region where an instantaneous vector of current detected when a winding is short-circuited;
FIG. 5 is a view for explaining an embodiment of the invention as set forth in claim 7;
FIG. 6 is a block diagram showing a driving device of a conventional permanent magnet synchronous motor with a magnetic pole position sensor.
FIG. 7 is an explanatory diagram of a permanent magnet rotor, an α-β coordinate system, and a dq coordinate system.
FIG. 8 is a block diagram showing a conventional magnetic pole position / speed sensorless type permanent magnet synchronous motor driving apparatus;
[Explanation of symbols]
1 Inverter
2 Permanent magnet synchronous motor
3u, 3v, 3w current detector
4u, 4v, 4w Current detector gain
5 Phase number converter
6 Coordinate converter
7 Current controller
8 Speed calculator
9 Magnetic pole position estimation unit (steady state)
10 Magnetic pole position estimation unit (at startup)
11 State controller
12 Winding short circuit
13 Gate signal switching part
20 DC power supply
30 Permanent magnet rotor
A idling restart control unit

Claims (9)

交流回転機を運転する電力変換器と、前記回転機の巻線電流を所定値に制御するために電力変換器を構成する半導体スイッチング素子に対するオン・オフ信号を生成して出力する制御装置と、を備えた交流回転機用電力変換装置において、
回転機の回転子の空転時に、前記制御装置により、前記半導体スイッチング素子のうち少なくとも一つをオンさせて回転機の巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定して電力変換器を再起動することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
A power converter that operates an AC rotating machine, and a control device that generates and outputs an on / off signal for a semiconductor switching element that constitutes the power converter in order to control the winding current of the rotating machine to a predetermined value; In the power converter for an AC rotary machine with
When the rotor of the rotating machine idles, the control device turns on at least one of the semiconductor switching elements to short-circuit the winding of the rotating machine, and the position of the rotor is determined based on the winding current flowing at that time. A power conversion device for an AC rotary machine, wherein the power converter is estimated and restarted.
請求項1記載の交流回転機用電力変換装置において、
回転機の回転子の空転時に、電力変換器により回転機の全相巻線を短絡させ、その際に流れる巻線電流に基づき回転子の位置を推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the power converter for AC rotating machines according to claim 1,
When rotating the rotor of a rotating machine, the power for an AC rotating machine is characterized by short-circuiting all phase windings of the rotating machine by a power converter and estimating the position of the rotor based on the winding current flowing at that time. Conversion device.
請求項1または2記載の交流回転機用電力変換装置において、
回転機の巻線を短絡させて巻線電流を検出してから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングすることを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the AC converter for AC rotating machines according to claim 1 or 2,
A power converter for an AC rotating machine, wherein the power converter is switched so that the winding current becomes zero after a lapse of a certain period of time after the winding of the rotating machine is short-circuited to detect the winding current.
請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、
電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を2回行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流が最大となる位相の差から回転子の回転速度を算出することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the power converter for AC rotating machines according to claim 3,
The operation of zeroing the winding current by switching the power converter is performed twice, and the rotation speed of the rotor is calculated from the phase difference at which the winding current at the short-circuit detected at each time becomes the maximum. A power converter for an AC rotating machine, which is characterized.
請求項4記載の交流回転機用電力変換装置において、
巻線電流をゼロにする2回の動作の間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the AC converter for AC rotating machines according to claim 4,
The electric power for an AC rotating machine is characterized in that the interval between two operations for setting the winding current to zero is set to be shorter than a period in which the rotor is moved at an electrical angle of 180 ° when the rotor is rotating at the maximum rotational speed. Conversion device.
請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、
検出した巻線電流の瞬時ベクトルの位相を、このベクトルが360°を複数に分割して形成した扇形領域のうち何れの領域に存在するかによって推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the power converter for AC rotating machines according to claim 3,
The phase conversion of the instantaneous vector of the detected winding current is estimated according to which one of the fan-shaped regions formed by dividing 360 ° into a plurality of segments. apparatus.
請求項6記載の交流回転機用電力変換装置において、
電力変換器のスイッチングにより巻線電流をゼロにする動作を3回以上行い、これらの各回に検出された短絡時の巻線電流を用いて回転子の位置、回転方向及び回転速度を推定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the power converter for AC rotating machines according to claim 6,
Perform the operation of zeroing the winding current by switching the power converter three times or more, and estimate the rotor position, rotation direction and rotation speed using the winding current detected at each short-circuit. A power converter for an AC rotating machine.
請求項7記載の交流回転機用電力変換装置において、
巻線電流をゼロにする3回以上の動作の間隔のうち、少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間よりも短く設定し、かつ、他の少なくとも一つの間隔を、回転子が最大回転数で回転している時に電気角で180°移動する期間以上に設定することを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the power converter for AC rotating machines according to claim 7,
At least one of the three or more operation intervals in which the winding current is zero is set shorter than a period in which the rotor moves 180 degrees in electrical angle when the rotor rotates at the maximum rotation speed; and The power converter for an AC rotating machine is characterized in that at least one other interval is set to be longer than a period of 180 ° in electrical angle when the rotor rotates at the maximum rotational speed.
請求項3記載の交流回転機用電力変換装置において、
検出した巻線電流の大きさが過電流にならない範囲で所定の規定値よりも小さい場合には、巻線の短絡期間を長く設定して前記規定値を超える巻線電流を再度検出し、それから一定期間経過後に、巻線電流がゼロになるように電力変換器をスイッチングする動作を行うことを特徴とする交流回転機用電力変換装置。
In the power converter for AC rotating machines according to claim 3,
When the magnitude of the detected winding current is smaller than the predetermined specified value in the range where no overcurrent occurs, the winding short-circuit period is set longer and the winding current exceeding the specified value is detected again, and then An AC rotary machine power converter characterized by performing an operation of switching a power converter so that a winding current becomes zero after a certain period of time.
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